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结合从现场实际测得的钻柱振动数据较全面地研究了钻柱振动的特征。并分析了由各种振源引起的钻柱振动特征，包括由钻头与地层之间的相互作用、不规则井壁对钻柱的作用、钻头失效、钻柱的自激振动、地面泥浆泵以及地面动力传动设备等引起的钻柱振动。尤其是对地面动力传动设备引起的钻柱振动，文中作了较详细地分析，为进一步研究钻柱振动及今后发展钻柱振动识别技术，打下了良好的基础。     

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石油钻井现场对井下钻柱纵向振动的控制普遍使用了井下减振器，利用隔振原理来降低钻柱振动。文章采用钻柱的连续系统振动模型，对井下减振器的作用进行了分析，指出减振器的效果与钻压无关，而主要决定于减振器的刚度及钻柱纵向振动的激振频率；任一种减振器的使用在大多数情况下都有一定效果，但刚度越小，效果越好；在每一种减振器的使用过程中，随着钻柱的不断加长，减振器的减振效果也在不断的变化，并有可能在谐振作用下产生共振，此时减振器的使用加大了钻柱的振动而需改变钻井工艺参数以避免。因此，我们对采取吸振原理的新型减振器进行了研究并在文中予以介绍。该减振器利用附加在钻铤外面的吸振系统的振动来吸收钻柱所承受的井下激振力。附加系统质量越大，受到激励后的振幅越大，对钻柱的减振作用越显著。     

钻头与岩石互作用下钻柱黏滑振动规律研究

黏滑振动会引起钻柱上产生高频波动的剪切应力，导致钻柱过早疲劳。为此，在考虑钻头与岩石互作用的情况下，耦合了钻头与岩石互作用模型与钻柱系统4自由度扭转振动模型，建立了考虑钻头与岩石互作用的钻柱系统扭转振动模型，并以现场实测数据对模型精度进行了验证；分析了井深、岩石类型对钻柱系统扭转振动特性的影响规律；据此提出了一些抑制深井/超深井黏滑振动的方法。研究结果表明：井越深越容易发生黏滑振动，且黏滑振动越强；岩石的可钻性越高，钻头在此类岩石中钻进时钻柱系统黏滑振动越弱；使用扭力冲击器等井下动力钻具可以有效地抑制黏滑振动，特别是在硬地层中钻进时，配合攻击性强的钻头可以有效抑制黏滑振动，提高机械钻速。     

井下钻柱振动信号的测量及振动激励源研究

为深入认识钻井过程中井下钻柱振动的特征、明确振动激励源,利用ESM存储式测量系统对某超深井旋转钻进过程中的振动信号进行了测量,并分析了钻柱粘滑和涡动的主要特征;以此为基础,分别采用快速傅里叶变换和短时傅里叶变换方法对钻柱振动信息进行频域和时频分析,确定了引起钻柱振动的主要频率,进而明确了其振动激励源。研究发现:钻柱发生粘滑运动时,三轴加速度呈同步周期性变化,其周期为10 s,主要频率成分为0.1 Hz;钻柱发生涡动时,三轴加速度均呈杂乱无章的不规则波动,主要振动频率为钻头转速的2倍频、转盘转速的1～5倍频。实例分析结果表明,引起钻柱涡动的激励源主要有钻头与地层的相互作用、稳定器或Power-V系统与井壁的摩擦等,为制定减振措施提供了理论依据。      

钻柱振动录井的研究现状及发展趋势

钻进过程中钻头破岩会引起钻柱的轴向、横向和扭转振动,这种振动携带了井下钻头、所钻地层和钻柱的信息.利用在钻柱顶部测量的振动信号,监测井下钻具的工作状态,获取钻头下方地层特性的技术称之为钻柱振动录井.对钻柱振动录井技术的基本原理、钻柱振动特征、测量仪器、数据处理方法和存在的主要问题及发展趋势作了系统分析,认为:钻柱振动录井可用于井下工况监测、地层评价与钻前预测,具有很好的发展前景;钻柱的传播效应使井下振动信号发生了强烈畸变,发展钻柱振动录井的关键是引入新型信号分析方法,分离钻头、钻柱、地层信息,有前景的方法包括反褶积、小波分析、独立成分分析等;无线传输、多参数、多分量钻柱振动测量手段的应用将有助于信号分析和井下信息提取.     

钻柱振动信号采集系统及谱分析

该简介了国内尚属探索阶段的钻柱振动研究项目，介绍了钻柱振动信号测量系统及其构成、流程及检测特点。列举了该系统在钻井现场试验的实例，从振动信号谱分析方面，验证了该振动测量系统采集信号的准确性、泵冲对钻柱振动的影响、牙轮钻头牙齿引起轴向振动表现出的调幅振动特征。重点分析了三牙轮钻头钻进条件下钻柱轴向振动的规律和波谱特征，认为其在低频段，易产生谐波；中频段的检测，有利用判断钻头工作状态；高频段的声波能反映出地层的分层信息。     

多自由度钻柱参数激励振动的理论分析

对于多自由度的钻柱系统，由钻压波动所激发的参数激励振动进行了比较详细的理论分析，从多自由度情况下的变参数钻柱横向振动方程出发，针对各种不同边界条件，利用多尺度方法对其振动响应、动力失稳等现象予以分析和讨论，并求出了多自由度钻柱系统参数激励振动的近似解。参５     

铅垂井段钻柱的动力分岔研究

基于弹性大变形理论,考虑到轴力沿钻柱轴线的变化及其对钻柱弯曲变形的影响等因素,将受自重作用的铅垂井段钻柱在波动钻压激励下的振动转化为一个参数激励系统,用Galerkin方法首次得到了描述此系统的Mathieu方程,并通过将方程的解展成富里叶级数的方法,得到了该振动系统的动力分岔值曲线及其所包围的动力不稳定区。当钻井作业参数落在动力不稳定区时,钻柱将发生破坏性振动。根据钻柱的物理与几何性质及钻柱的工作状态,首次推导出了参数激励系统分岔参数的计算公式,并据此开发了相应的程序模块。该模块可以根据钻井现场的实际情况,提供合理的转速和钻压等作业参数,以避开动力不稳定区,改善钻柱的工作状态,延长其工作寿命。     

基于数值模拟的钻柱谐振响应研究

钻柱振动是钻柱疲劳失效的主要原因,特别是在气体钻井过程中,井眼内缺少钻井液的润滑减震作用,钻柱振动更为强烈。文章建立了钻柱振动有限元数值模型,采用SUBSPACE法对钻柱进行模态分析,计算出了钻柱纵向振动各阶固有频率;并利用FULL法分别对三牙轮钻头和空气锤激励时钻柱的谐振响应情况做了计算,对其响应位移和响应轴力进行了详细研究,得出使用三牙轮钻头时钻柱在低阶频率处纵向共振响应位移最大,对钻柱的损害最大;使用空气锤时,钻柱在高阶频率处易发生共振,响应轴向力较大。     

哈萨克斯坦KOA油田钻井减振提速技术研究

KOA油田位于哈萨克斯坦滨里海盆地东缘，该油田上部上二叠统地层砂、泥岩互层严重并夹杂有泥板岩和砾石层，非均质性强、可钻性差，经常发生跳钻和井下工具损坏等复杂情况。为了提高钻井效率、控制油田综合开发成本，在该地层中实现钻井减振提速显得十分迫切。通过分析该地层岩性特征确定了地层岩石等效刚度，并将岩石等效刚度引入到钻柱力学模型中，进而确定了在该地层中钻柱系统的固有振动频率；同时以此为计算依据，优选出了合适的钻柱减振器刚度并应用在新井钻探中。在新井中，装备有合适刚度的减振器，很好地调节了钻柱固有频率，显著减弱了有害振动，提高了机械钻速。研究结果表明，引入地层岩石等效刚度的钻柱系统力学模型合乎实际情况，通过该模型优选的钻柱减振器刚度可以有效减振和提速。     

深海天然气水合物钻探取心钻柱振动模态分析

作为深海天然气水合物钻探取心系统必不可少的关键部件,钻柱在深海复杂环境钻探取心过程中承受着非常复杂的外力,不可避免地会产生横向振动、纵向振动、扭转振动及其耦合振动。钻柱的共振会引起钻柱本身甚至整个钻探取心系统的严重失效,进而导致无法成功获取深海天然气水合物岩心。为此,根据国内外相关振动理论的研究成果,结合深海天然气水合物钻探取心的特点,利用ANSYS有限元方法对钻柱转动过程中的横向振动、纵向振动及扭转振动进行了模态分析,确定出钻柱的固有频率和临界转速,为避免钻柱的共振提供了理论依据,同时还得出以下结论：①当外力的激振频率和钻柱的固有频率相同时,钻柱内的交变应力和振幅相当大,此时会引起钻柱的共振,整个钻柱的振动加强;②横向振动引起共振的可能性比较小,纵向振动和扭转振动引起共振的可能性较大。     

深井钻柱振动规律的分析及应

钻柱振动是在当前钻井工程中的普遍现象，对钻井的影响很大，钻柱共振是钻柱失效的主要原因。文章研究深井钻柱的振动问题，以深井钻柱为研究对象，分析研究了钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动。首先，建立了深井钻柱各种振动的力学模型，获得了钻柱振动所遵循的物理规律，得到了钻柱的各种共振频率。然后，结合实际对振动规律进行了应用，该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据。     

基于地表数据的井下振动识别与控制

钻柱振动识别与控制对于减少钻井过程中事故复杂、防止钻头提前失效具有重要意义。全球每年与钻柱振动相关的失效和破坏的经济损失高达3 亿美元。若能实时监测钻头破岩状态,有效识别并控制钻柱有害振动,则能大大降低这种损失。调研了国内外对钻井振动问题的研究和应用情况,讨论了钻具振动的产生机理及其地表数据响应关系。在基于比能优化技术基础上,建立了一套根据地表数据实时识别并控制井下振动的方法。现场应用表明,振动识别与控制技术能够准确判断井下振动,通过不断优化钻井参数可以消除井下瓶颈因素,挖掘提速潜力,有望为钻井提速和降低成本探寻一条新途径。     

在役钻柱的纵向振动模型的分析与研究

钻柱振动分析是一个非常复杂的动力学问题，也是国内外钻井界正在深入研究的问题。实际钻井中的钻柱振动可能是纵向振动、横向振动或扭转振动以及它们相互祸合的振动，钻柱的疲劳破坏、粘扣现象和大部分刺扣泄漏事故也都与钻柱振动有直接关系，特别是与钻柱的纵向振动有关，为减少纵向振动在钻井过程中的危害，优化钻具组合避免纵向共振，建立了钻柱的纵向振动模型并给出了相应的边界条件、初始条件和振动方程，为进一步研究钻柱的振动问题打下基础。     

Rock fragmentation mechanisms and an experimental study of drilling tools during high-frequency harmonic vibration

Resonance drilling is a new technology, still at the laboratory stage. It has great potential to improve rock fragmentation efficiency. We analyzed the amplitude-frequency characteristics of steadystate mechanical vibration excited by harmonic vibration in rocks and an apparatus was built to achieve high frequency vibration of rock. The influence of rock drillability, rotary speed, excitation frequency, and other parameters on the rate of penetration (ROP) in resonance drilling was analyzed. The results show that the rock drillability decreased with an increase in excitation frequency. When drilling with a large size drill bit, the ROP increased with excitation frequency. The ROP reached a maximum value at the resonant frequency of the rock. The ROP of the bit increased linearly with rotary speed when no vibration was applied on the rock and increased approximately exponentially when harmonic vibration was applied. In addition, the resonant frequency of the rock was changing during the process of rock fragmentation, so in order to achieve the desired resonance of the rock, it is necessary to determine an appropriate harmonic vibration excitation frequency.     

油气井杆管柱力学研究进展与争论

油气井杆管柱是石油钻采作业的脊梁和中枢神经。在石油与天然气工程学科中,油气井杆管柱力学是一门重要的应用基础科学。先介绍了油气井杆管柱力学的相关专著、从事油气井杆管柱力学研究学者、研究油气井杆管柱力学的方法并澄清了一些基本概念;进一步重点介绍了油气井杆管柱力学基本原理、油气井杆管柱的运动状态、油气井杆管柱动力学基本方程、油气井杆管柱的稳定性、油气井杆管柱的稳态拉力扭矩、下部钻具三维力学分析、钻柱动力学、套管柱力学分析、测试管柱力学分析、压裂注水注汽管柱力学分析、有杆泵抽油系统诊断和参数优选与节能、采气管柱的振动、管柱的冲击震动、膨胀筛(套)管力学分析、隔水管柱力学分析、振动波信号在管柱中的传播、管柱的磨损和腐蚀与冲蚀、管柱的剩余强度和疲劳强度预测等方向的进展与争论;展望了油气井杆管柱力学的重点研究方向。     

海洋钻井隔水管随机振动的理论分析

海洋钻井隔水管在随机载荷波浪力的作用下发生随机振动 ,从而偏离原来的铅垂位置 ,严重时会使钻具受到破坏 ,引起钻井中断。应用随机振动的理论和方法 ,分析了波浪力的随机过程和随机模型 ,指出波浪力是一个均值为零的平稳随机过程 ,隔水管的横向随机位移也是一个均值为零的平稳随机过程。同时采用模态分析的离散化方法 ,分析了隔水管在随机载荷波浪力作用下的横向随机振动问题 ,导出了隔水管横向随机振动位移相关函数和均方位移的计算公式 ,为隔水管的随机响应计算和工程设计提供了一定的理论基础。     

半潜式钻井平台上钻机井架振动分析

以某半潜式钻井平台上钻机井架为实例,借助于ABAQUS非线性有限元分析软件对井架结构进行简化,并建立有限元模型。通过对井架结构的模态分析和随机振动分析,分别得到该井架的自振特性(包括固有频率及阵型)和井架结构在地震、波浪激励下的动态响应随时间、频率的变化规律,分析结果有助于在设计井架结构时避开其共振频率范围,进而为选择平台上有振动特性的配套设备提供理论依据。     

随钻恒扭器在TH121125井的试验

塔河油田12区深部硬地层在钻井过程中,常因PDC钻头黏滑振动造成机械钻速较慢.为解决该问题,在TH121125井1 204.00~4 845.00 m井段试验应用了随钻恒扭器.结果表明:试验井段的扭矩波动小,比较平稳;与邻井相同井段相比,机械钻速提高了20.56%~59.65%,钻井周期缩短了21.08%~41.39%;试验井段的最大井斜角仅1.07°,最大井径扩大率仅6.42%,与邻井相比井身质量得到明显提高.试验结果表明,应用随钻恒扭器可以有效消除PDC钻头的黏滑振动,保护钻头及钻柱,有利于防斜打快,提高钻井速度.      

高频振动钻具冲击下岩石响应机理及破岩试验分析

为了研究深井、超深井硬地层中高频振动冲击钻井的破岩机理及破岩效果,基于机械振动原理,建立了高频振动激励下有限深度范围内岩石稳态振动响应的幅频特性模型,分析了井底岩石的响应特点。通过PDC钻头的旋转、高频振动冲击的联合破岩试验,分析了转速、频率等参数对振动冲击钻井机械钻速的影响。结果表明:随着振动冲击激励频率增大,机械钻速逐渐增大;振动冲击激励频率为1 400~1 500 Hz时,机械钻速达到最大,与无振动冲击激励相比增幅为93.5%~106.3%。理论研究和试验结果都证明,高频振动冲击能够降低岩石抗钻能力,提高破岩效率。